Todo
sistema termodinámico posee determinadas propiedades: masa, volumen,
temperatura, energía cinética, densidad, etc., algunas de ellas, por ej. el
volumen depende de la masa total y se denomina: propiedades generales o
extensivas; sin embargo, existen otras, como la temperatura, que no
dependen de la masa total, estas últimas se llaman propiedades intensivas, en
ambas encontramos propiedades variables que varían a lo largo del tiempo, y
otras que no.
Para poder definir, el estado de un sistema necesitamos conocer los
valores que adquieren aquellas propiedades que pueden variar, este conjunto de
propiedades se conoce como "VARIABLES DE ESTADO"; si el
sistema es complejo, la cantidad de variables de estado será muy grande;
si en cambio consideramos un sistema material simple y puro, la variable de
estado será poca; para un gas ideal, las variables de estado son la
temperatura, presión y masa.
- TEMPERATURA: Es proporcional a la energía cinética de sus partículas. Cuanto mayor es la velocidad media de las partículas, mayor es la temperatura.
- PRESIÓN: se relaciona con el número de choques que hay entre las partículas de gas. Cuantos más choques, mayor es la presión.
- VOLUMEN: se relaciona con la distancia media que existe entre las partículas del gas. Cuanto más separadas más volumen ocupan.
- MASA: da cuenta del número de partículas, corresponde a la ” cantidad de materia" presente en el gas.
En
la naturaleza los cuerpos se encuentran en forma líquida, sólida, gaseosa o
plasma. Se puede transformar el estado físico de una sustancia, variándole la
temperatura, por ejemplo, el agua de estado líquido al gaseoso; también se
puede cambiar el estado de un cuerpo al variar la presión a la que está
sometido, aunque no se modifique su temperatura, como el gas de los
encendedores.
La
siguiente gráfica representa los posibles cambios de estado y el nombre
característico de cada uno de ellos.
Hay
que destacar que el paso de líquido a gas o vaporización puede producirse por
dos mecanismos: evaporación que tiene lugar a cualquier temperatura y únicamente
ocurre en la superficie del líquido y la ebullición en la cual por lo general
se observa la producción de burbujas dentro del líquido y tiene lugar a una
temperatura característica de cada sustancia.
DIAGRAMA DE FASES
SIMULACIÓN
Después de observar la simulación, pase a la siguiente sección y resuelva el cuestionario que allí aparece, usando el siguiente enlace:
PUNTOS DE FUSIÓN Y EBULLICIÓN
Cuando a un jugo, le echamos hielo, decimos que se enfría, ¿es físicamente correcta, esta apreciación?
Existen sólidos, llamados sólidos cristalinos en que la fusión no tiene lugar de forma gradual con el aumento de temperatura, sino que se produce cuando se alcanza una cierta temperatura, que depende de cada sólido. A determinada presión, cada sólido cristalino se funde a una temperatura característica, denominada punto de fusión.
Se denomina calor latente de fusión de una sustancia, como la energía que se debe suministrar por unidad de masa para que la sustancia pase de estado sólido a estado líquido. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de fase y aumenta la temperatura, se llama calor sensible. El nombre proviene de la oposición a calor latente que se refiere al calor "escondido", es decir que se suministra pero no "se percibe" el efecto de aumento de temperatura como un cambio de fase de hielo a agua líquida y de ésta a vapor. El calor sensible sí se percibe, puesto que aumenta la temperatura de la sustancia, haciendo que se perciba como "más caliente", o por el contrario, si se le resta calor, la percibimos como "más fría".
El
calor necesario para fundir una sustancia se calcula con la expresión:
Q
= mLF ; donde m es la masa de la sustancia y LF es el calor latente de fusión,
que es característico de cada sustancia.
Cuando
a una sustancia en estado líquido se le suministra calor, llega un instante en
que comienza a hervir y se transforma en gas. La temperatura a la cual la
sustancia comienza a hervir se llama punto de ebullición, la cual depende de la
naturaleza del líquido.
Se
denomina calor latente de vaporización de una sustancia, como la energía que se
debe suministrar por unidad de masa para que la sustancia pase de estado líquido al estado gaseoso.
El
calor necesario para que una sustancia se convierta en vapor, se calcula con la
expresión:
Q
= mLv ; donde m es la masa de la sustancia y Lv es el calor latente de vaporización,
que es característico de cada sustancia.
Ejemplo: El agua.
Cuando se aplica calor a un trozo de hielo, va subiendo su temperatura hasta que llega a 0 °C (temperatura de cambio de estado); a partir de ese momento, aunque se le siga aplicando calor, la temperatura no cambiará hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo.
Una vez fundido el hielo, si se sigue suministrando calor al agua obtenida en el proceso de fusión, la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C; desde ese momento, el agua comienza a hervir, la temperatura se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua. Este proceso se muestra en la siguiente gráfica.
Ejemplo: El agua.
Cuando se aplica calor a un trozo de hielo, va subiendo su temperatura hasta que llega a 0 °C (temperatura de cambio de estado); a partir de ese momento, aunque se le siga aplicando calor, la temperatura no cambiará hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo.
Una vez fundido el hielo, si se sigue suministrando calor al agua obtenida en el proceso de fusión, la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C; desde ese momento, el agua comienza a hervir, la temperatura se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua. Este proceso se muestra en la siguiente gráfica.
En
los procesos 1-3-5, hay variación de la temperatura (ΔT). Calor sensible. Q = mCeΔT
En
los procesos 2-4 no hay variación de la temperatura, ocurren los cambios de
estado. Calor latente.
En la siguiente gráfica se observa el proceso de vaporización del hielo:
En la siguiente gráfica se observa el proceso de vaporización del hielo:
SIMULACIÓN: http://www.educaplus.org/game/cambios-de-estado-del-agua
Encienda el mechero y observe las características del sólido, ¿como se comporta? ¿hasta qué temperatura es sólido?
¿Qué sucede cuando es líquido? ¿hasta qué temperatura es líquido? ¿Qué ocurre después?
SIMULACIÓN. CURVA DE CALENTAMIENTO DEL AGUA:
Si la masa del hielo es de 100 mg, haga los cálculos respectivos para convertirlos en vapor a 125°C, usando el siguiente enlace:
Escriba para cada intervalo de tiempo la ecuación respectiva, lo mismo que la temperatura que posee en él y en qué estado se encuentra.
Podemos
apreciar que mientras se producen los cambios de estado, también llamados
cambios de fase, la temperatura de una sustancia no aumenta aunque se le
suministre calor, en este caso, no cambia su energía cinética sino su energía
potencial, esto se muestra en la gráfica siguiente.
La
siguiente tabla presenta el punto de fusión, ebullición, calor latente de
fusión y ebullición para algunas sustancias
Sustancia
|
Punto
de fusión (ºC)
|
Punto
de ebullición (ºC)
|
Calor
latente de fusión (cal/g)
|
Calor
latente de ebullición (cal/g)
|
Agua
|
0
|
100
|
80
|
540
|
Plomo
|
327
|
1750
|
5,5
|
205
|
Oxígeno
|
-223
|
-183
|
3,3
|
51
|
Mercurio
|
-39
|
358
|
2,8
|
71
|
Zinc
|
420
|
918
|
24
|
475
|
Aluminio
|
658
|
2057
|
94
|
2260
|
Alcohol
etílico
|
-117,3
|
78,5
|
24,9
|
204
|
Plata
|
960
|
2193
|
21
|
558
|
Hierro
|
1530
|
2735
|
56
|
1515
|
Ejemplos:
1.- Un cubo de hielo de 25 g de masa se saca del
congelador a una temperatura de – 18ºC,
Calcular:
a)
El calor necesario para fundir el cubo de hielo.
Para
calcular el calor necesario para fundir el hielo debemos tener en cuenta:
calcular el calor necesario para aumentar su temperatura de – 18ºC hasta 0ºC, y el calor
necesario en la que el cubo de hielo se funde.
Para
la primera etapa:
mhielo
= 25 g
To
= – 18ºC
Tf
= 0ºC
Qhielo
= ?
Ce
= 0,53 cal/ ºC
Q1
= mhielo Ce(Tf – To)
Q1=
25g(0,53 cal/ ºC) (0ºC –
(– 18ºC)) = 25g(0,53 cal/ ºC) (0ºC
+ 18ºC) = 25g(0,53 cal/
ºC) (18ºC)
Q1=
238,5 cal
Como
se quiere fundir 25g, de la tabla anterior, el calor latente de fusión del agua
es 80 cal/g, el calor necesario Q2 es:
Q2
= 25g (80 cal/g) = 2000 cal
El
calor total para fundir el cubo de hielo es:
Q
= Q1 + Q2 = 238,5 cal + 2000 cal = 2238,5 cal
b).
Una vez fundido calcular el calor necesario para que los 25 g de agua alcancen
su punto de ebullición.
magua=
25 g
To
= 0ºC
Tf
= 100ºC
Qa
= ?
Ce
= 1 cal/ gºC
Qa
= magua Ce(Tf – To)
Qa
= 25g (1 cal/ gºC)( 100ºC – 0ºC) = 2500 cal
Q
= 2500 cal
a) ¿Qué cantidad de calor hay que
suministrarle al cubo de hielo para que se convierta en vapor?
ENLACE : https://es.wikipedia.org/wiki/Calor_latente
EJERCICIOS RESUELTOS:
https://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/tp04-cambio-de-estado.php
EJERCICIOS RESUELTOS:
https://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/tp04-cambio-de-estado.php
FACTORES QUE AFECTAN LOS CAMBIOS DE ESTADO
1.-
La presión: Sabemos que la evaporación se produce en la superficie de los
líquidos, cuando la vaporización se produce bajo la superficie, se producen
burbujas, que se dirigen hacia la superficie y entonces el líquido entra en
ebullición. La presión del vapor contenido en el interior de las burbujas debe
ser lo suficientemente grande para vencer la presión del líquido que las rodea.
La ebullición de un líquido se produce cuando la presión del vapor es mayor que
la presión exterior. Al aumentar la presión exterior, el punto de ebullición se
eleva, ya que se requiere mayor temperatura para que la presión de las burbujas
contrarreste la presión externa.
Por
ejemplo, a nivel del mar, el agua tiene como punto de ebullición 100ºC a 1 atm de presión (760 mm de
mercurio), mientras que en el monte Everest, que se encuentra a 8800 m sobre el
nivel del mar, la presión es de 260 mm de mercurio, el punto de ebullición es
de 72ºC.
2.-
Presencia de solutos: La adición de sustancias a un líquido modifica los puntos
de ebullición y fusión del mismo.
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